Pulsatile pressure enhanced rapid water transport through flexible graphene nano/Angstrom-size channels: a continuum modeling approach using the micro-structure of nanoconfined water
Description
Abstract Several researchers observed a significant increase in water flow through graphene-based nanocapillaries. As graphene sheets are flexible (Wang and Shi 2015 Energy Environ. Sci. 8 790–823), we represent nanocapillaries with a deformable channel-wall model by using the small displacement structural-mechanics and perturbation theory presented by Gervais et al (2006 Lab Chip 6 500–7), and Christov et al (2018 J. Fluid Mech. 841 267–86), respectively. We assume the lubrication assumption in the shallow nanochannels, and using the microstructure of confined water along with slip at the capillary boundaries and disjoining pressure (Neek-Amal et al 2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101), we derive the model for deformable nanochannels. Our derived model also facilitates the flow dynamics of Newtonian fluids under different conditions as its limiting cases, which have been previously reported in literature (Neek-Amal et al 2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101; Gervais et al 2006 Lab Chip 6 500–7; Christov et al 2018 J. Fluid Mech. 841 267–86 ; White 1990 Fluid Mechanics ; Keith Batchelor 1967 An Introduction to Fluid Dynamics ; Kirby 2010 Micro-and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices ). We compare the experimental observations by Radha et al (2016 Nature 538 222–5) and MD simulation results by Neek-Amal et al (2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101) with our deformable-wall model. We find that for channel-height H o < 4 Å, the flow-rate prediction by the deformable-wall model is 5%–7% more compared to Neek-Amal et al (2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101) well-fitted rigid-wall model. These predictions are within the errorbar of the experimental data as shown by Radha et al (2016 Nature 538 222–5), which indicates that the derived deformable-wall model could be more accurate to model Radha et al (2016 Nature 538 222–5) experiments as compared to the rigid-wall model. Using the model, we study the effect of the flexibility of graphene sheets on the flow rate. As the flexibility α increases (or corresponding thickness T and elastic modulus E of the wall decreases), the flow rate also increases. We find that the flow rate scales as m ˙ flexible ∼ α 0 for ( α Δ p W / E H o ) ≪ 1 ; m ˙ flexible ∼ α for ( α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 10 − 1 ) ; and m ˙ flexible ∼ α 3 for ( α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 1 ) , respectively. We also find that, for a given thickness T , the percentage change in flow rate in the smaller height of the channel is more than the larger height of the channels. As the channel height decreases for the given reservoir pressure and thickness, the Δ m ˙ / m ˙ increases with H o − 1 followed by H o − 3 after a height-threshold. Further, we investigate how the applied pulsating pressure influences the flow rate. We find that due to the oscillatory pressure field, there is no change in the averaged mass flow rate in the rigid-wall channel, whereas the flow rate increases in the flexible channels with the increasing magnitude of the oscillatory pressure field. Also, in flexible channels, depending on the magnitude of the pressure field, either of the steady or oscillatory or both kinds of pressure field, the averaged mass flow rate dependence varies from Δ p to Δ p 4 as the pressure field increases. The flow rate in the rigid-wall channel scales as m ˙ rigid ∼ Δ p , whereas for the deformable-wall channel it scale as m ˙ flexible ∼ Δ p for ( α Δ p W / E H o ) ≊ 0 , m ˙ flexible ∼ Δ p 2 for ( α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 10 − 1 ) , and m ˙ flexible ∼ Δ p 4 for ( α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 1 ) . We find that both the flexibility of the graphene sheet and the pulsating pressure fields to these flexible channels intensify the rapid flow rate through nano/Angstrom-size graphene capillaries.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الخلاصة لاحظ العديد من الباحثين زيادة كبيرة في تدفق المياه من خلال الشعيرات الدموية النانوية القائمة على الجرافين. نظرًا لأن صفائح الجرافين مرنة (وانغ وشي 2015 إنيرجي إنفيرون. Sci. 8 790–823)، نحن نمثل الشعيرات الدموية النانوية بنموذج جدار قناة قابل للتشوه باستخدام ميكانيكا الإزاحة الهيكلية الصغيرة ونظرية الاضطراب التي قدمها جيرفيه وآخرون (2006 Lab Chip 6 500–7)، وكريستوف وآخرون (2018 J. Fluid Mechan. 841 267-86)، على التوالي. نفترض افتراض التشحيم في القنوات النانوية الضحلة، واستخدام البنية المجهرية للمياه المحصورة جنبًا إلى جنب مع الانزلاق عند حدود الشعيرات الدموية والضغط المنفصل (Neek - Amal et al. 2018 Appl. الفيزياء. الرسالة. 113 083101)، نستمد نموذج القنوات النانوية القابلة للتشوه. يسهل نموذجنا المشتق أيضًا ديناميكيات تدفق السوائل النيوتونية في ظل ظروف مختلفة مثل حالاتها المحددة، والتي تم الإبلاغ عنها سابقًا في الأدبيات (Neek - Amal et al. 2018 Appl. رسالة فيزيائية. 113 083101 ؛ جيرفيه وآخرون 2006 مختبر رقاقة 6 500-7 ؛ كريستوف وآخرون 2018 ج. ميكانيكا السوائل. 841 267–86 ؛ أبيض 1990 ميكانيكا الموائع ؛ كيث باتشيلور 1967 مقدمة في ديناميات الموائع ؛ كيربي 2010 ميكانيكا الموائع الدقيقة والنانوية: النقل في أجهزة الموائع الدقيقة). نقارن الملاحظات التجريبية التي أجراها رادها وآخرون (2016 الطبيعة 538 222-5) ونتائج محاكاة MD بواسطة نيك أمل وآخرون (2018 Appl. الفيزياء. رسالة. 113 083101) مع نموذج الجدار القابل للتشوه. نجد أنه بالنسبة لارتفاع القناة Ho < 4 Å، فإن التنبؤ بمعدل التدفق بواسطة نموذج الجدار القابل للتشوه هو 5 ٪-7 ٪ أكثر مقارنة بـ Neek - Amal et al (2018 Appl. فيزيائي. رسالة. 113 083101) نموذج الجدار الصلب المجهز جيدًا. تقع هذه التنبؤات ضمن شريط أخطاء البيانات التجريبية كما هو موضح من قبل رادها وآخرون (2016 الطبيعة 538 222–5)، مما يشير إلى أن نموذج الجدار القابل للتشوه المشتق يمكن أن يكون أكثر دقة لنموذج تجارب رادها وآخرون (2016 الطبيعة 538 222-5) مقارنة بنموذج الجدار الصلب. باستخدام النموذج، ندرس تأثير مرونة صفائح الجرافين على معدل التدفق. مع زيادة المرونة α (أو انخفاض السماكة المقابلة T ومعامل المرونة E للجدار)، يزداد معدل التدفق أيضًا. نجد أن مقاييس معدل التدفق كمقاييس مرنة لـ ( α Δ p W / E H o ) 1 ؛ ومقاييس مرنة لـ (α Δ p W / E H o ) O ( 10-1 )؛ ومقاييس مرنة لـ ( α Δ p W / E H o ) O ( 1 ) ، على التوالي. نجد أيضًا أنه بالنسبة لسمك معين T ، فإن النسبة المئوية للتغير في معدل التدفق في الارتفاع الأصغر للقناة أكبر من الارتفاع الأكبر للقنوات. مع انخفاض ارتفاع القناة لضغط وسماكة الخزان المعطى، يزداد Δ متر مربع / متر مربع مع Ho -1 متبوعًا بـ Ho -3 بعد عتبة الارتفاع . علاوة على ذلك، نقوم بالتحقيق في كيفية تأثير ضغط النبض المطبق على معدل التدفق. نجد أنه بسبب مجال الضغط التذبذبي، لا يوجد تغيير في متوسط معدل التدفق الكتلي في القناة ذات الجدار الصلب، في حين أن معدل التدفق يزيد في القنوات المرنة مع زيادة حجم مجال الضغط التذبذبي. أيضًا، في القنوات المرنة، اعتمادًا على حجم مجال الضغط، إما من مجال الضغط الثابت أو المتذبذب أو كلا النوعين من مجال الضغط، يختلف متوسط معدل التدفق الكتلي من Δ p إلى Δ p 4 مع زيادة مجال الضغط. يقاس معدل التدفق في قناة الجدار الصلب على أنه m ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? نجد أن كل من مرونة صفيحة الجرافين وحقول ضغط النبض لهذه القنوات المرنة تكثف معدل التدفق السريع من خلال الشعيرات الدموية الجرافين بحجم النانو/أنجستروم.Translated Description (French)
Résumé Plusieurs chercheurs ont observé une augmentation significative du débit d'eau à travers les nanocapillaires à base de graphène. Comme les feuilles de graphène sont flexibles (Wang et Shi 2015 Energy Environ. Sci. 8 790-823), nous représentons des nanocapillaires avec un modèle de paroi déformable en utilisant la théorie de la perturbation et de la mécanique structurelle à faible déplacement présentée par Gervais et al (2006 Lab Chip 6 500–7), et Christov et al (2018 J. Fluid Mech. 841 267-86), respectivement. Nous supposons l'hypothèse de lubrification dans les nanocanaux peu profonds, et en utilisant la microstructure de l'eau confinée ainsi que le glissement aux limites capillaires et la pression disjointe (Neek-Amal et al 2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101), nous dérivons le modèle pour les nanocanaux déformables. Notre modèle dérivé facilite également la dynamique de l'écoulement des fluides newtoniens dans différentes conditions comme ses cas limites, qui ont déjà été rapportés dans la littérature (Neek-Amal et al 2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101 ; Gervais et al 2006 Lab Chip 6 500–7 ; Christov et al 2018 J. Fluid Mech. 841 267–86 ; White 1990 Fluid Mechanics ; Keith Batchelor 1967 An Introduction to Fluid Dynamics ; Kirby 2010 Micro-and Nanoscale Fluid Mechanics : Transport in Microfluidic Devices ). Nous comparons les observations expérimentales de Radha et al (2016 Nature 538 222–5) et les résultats de simulation MD de Neek-Amal et al (2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101) avec notre modèle à paroi déformable. Nous constatons que pour la hauteur de canal H o < 4 Å, la prédiction du débit par le modèle de paroi déformable est de 5% à 7% plus élevée que celle de Neek-Amal et al (2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101) modèle à paroi rigide bien ajusté. Ces prédictions se trouvent dans la barre d'erreur des données expérimentales comme le montrent Radha et al (2016 Nature 538 222–5), ce qui indique que le modèle de paroi déformable dérivé pourrait être plus précis pour les expériences de modèle Radha et al (2016 Nature 538 222–5) par rapport au modèle de paroi rigide. À l'aide du modèle, nous étudions l'effet de la flexibilité des feuilles de graphène sur le débit. Au fur et à mesure que la flexibilité α augmente (ou que l'épaisseur correspondante T et le module élastique E de la paroi diminuent), le débit augmente également. Nous trouvons que le débit s'échelonne comme suit : (α Δ p W/E H o) α 0 pour (α Δ p W / E H o ) 1 ; ( α Δ p W/E H o) α pour (α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 10 − 1 ) ; et (α Δ p W/E H o) α 3 pour (α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 1 ) , respectivement. Nous constatons également que, pour une épaisseur T donnée, le pourcentage de changement de débit dans la plus petite hauteur du canal est supérieur à la plus grande hauteur des canaux. Au fur et à mesure que la hauteur du canal diminue pour la pression et l'épaisseur données du réservoir, le Δ m / m augmente avec H o − 1 suivi de H o − 3 après un seuil de hauteur. En outre, nous étudions comment la pression pulsatoire appliquée influence le débit. Nous constatons qu'en raison du champ de pression oscillatoire, il n'y a pas de changement dans le débit massique moyen dans le canal à paroi rigide, alors que le débit augmente dans les canaux flexibles avec l'amplitude croissante du champ de pression oscillatoire. En outre, dans les canaux flexibles, en fonction de l'amplitude du champ de pression, soit du champ de pression stable ou oscillatoire, soit des deux types de champ de pression, la dépendance moyenne du débit massique varie de Δ p à Δ p 4 à mesure que le champ de pression augmente. Le débit dans le canal à paroi rigide s'échelonne en tant que m ‹ rigide ∼ Δ p , alors que pour le canal à paroi déformable, il s'échelonne en tant que m ‹ flexible ∼ Δ p pour (α Δ p W / E H o ) 0 , m ‹ flexible ∼ Δ p 2 pour (α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 10 − 1 ) , et m ‹ flexible ∼ Δ p 4 pour ( α Δ p W / E H o ) ∼ O ( 1 ) . Nous constatons que la flexibilité de la feuille de graphène et les champs de pression pulsés vers ces canaux flexibles intensifient le débit rapide à travers les capillaires de graphène de taille nano/Angström.Translated Description (Spanish)
Resumen Varios investigadores observaron un aumento significativo en el flujo de agua a través de nanocapilares basados en grafeno. Como las láminas de grafeno son flexibles (Wang y Shi 2015 Energy Environ. Sci. 8 790–823), representamos nanocapilares con un modelo de pared de canal deformable mediante el uso de la teoría de perturbación y mecánica estructural de pequeño desplazamiento presentada por Gervais et al (2006 Lab Chip 6 500–7) y Christov et al (2018 J. Fluid Mech. 841 267–86), respectivamente. Suponemos el supuesto de lubricación en los nanocanales poco profundos, y utilizando la microestructura del agua confinada junto con el deslizamiento en los límites capilares y la presión de separación (Neek-Amal et al 2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101), derivamos el modelo para nanocanales deformables. Nuestro modelo derivado también facilita la dinámica de flujo de fluidos newtonianos bajo diferentes condiciones como sus casos límite, que han sido previamente reportados en la literatura (Neek-Amal et al 2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101; Gervais et al 2006 Lab Chip 6 500–7; Christov et al 2018 J. Fluid Mech. 841 267–86 ; White 1990 Fluid Mechanics ; Keith Batchelor 1967 An Introduction to Fluid Dynamics ; Kirby 2010 Micro-and Nanoscale Fluid Mechanics: Transport in Microfluidic Devices ). Comparamos los resultados experimentales de Radha et al (2016 Nature 538 222–5) y los resultados de la simulación MD de Neek-Amal et al (2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101) con nuestro modelo de pared deformable. Encontramos que para la altura del canal H o < 4 Å, la predicción del caudal por el modelo de pared deformable es 5%–7% más en comparación con Neek-Amal et al (2018 Appl. Phys. Lett. 113 083101) modelo de pared rígida bien ajustado. Estas predicciones están dentro de la barra de error de los datos experimentales como lo muestran Radha et al (2016 Nature 538 222–5), lo que indica que el modelo de pared deformable derivado podría ser más preciso para modelar los experimentos de Radha et al (2016 Nature 538 222–5) en comparación con el modelo de pared rígida. Utilizando el modelo, estudiamos el efecto de la flexibilidad de las láminas de grafeno sobre el caudal. A medida que aumenta la flexibilidad α (o disminuye el grosor T y el módulo elástico E correspondientes de la pared), también aumenta el caudal. Encontramos que la tasa de flujo escala como m " flexible ~ α 0 para ( α Δ p W / E H o ) 1 ; m " flexible ~ α para ( α Δ p W / E H o ) ~ O ( 10 − 1 ) ; y m " flexible ~ α 3 para ( α Δ p W / E H o ) ~ O ( 1 ) , respectivamente. También encontramos que, para un espesor dado T , el porcentaje de cambio en el caudal en la altura más pequeña del canal es mayor que la altura más grande de los canales. A medida que la altura del canal disminuye para la presión y el espesor dados del yacimiento, el Δ m / m aumenta con H o − 1 seguido de H o − 3 después de un umbral de altura. Además, investigamos cómo la presión pulsante aplicada influye en el caudal. Encontramos que debido al campo de presión oscilatoria, no hay cambio en el caudal másico promedio en el canal de pared rígida, mientras que el caudal aumenta en los canales flexibles con la magnitud creciente del campo de presión oscilatoria. Además, en canales flexibles, dependiendo de la magnitud del campo de presión, ya sea del campo de presión estable u oscilatorio o de ambos tipos, la dependencia del caudal másico promedio varía de Δ p a Δ p 4 a medida que aumenta el campo de presión. La velocidad de flujo en el canal de pared rígida se escala como m = rígido ~ Δ p , mientras que para el canal de pared deformable se escala como m = flexible ~ Δ p para (α Δ p W / E H o ) = 0 , m = flexible ~ Δ p 2 para ( α Δ p W / E H o ) ~ O ( 10 − 1 ) , y m = flexible ~ Δ p 4 para ( α Δ p W / E H o ) ~ O ( 1 ) . Encontramos que tanto la flexibilidad de la lámina de grafeno como los campos de presión pulsante a estos canales flexibles intensifican el rápido caudal a través de capilares de grafeno de tamaño nano/Angstrom.Files
pdf.pdf
Files
(11.9 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:3ac61bc72abb18853ad94d1c7f1c9ee1
|
11.9 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- عزز الضغط النابض النقل السريع للمياه من خلال قنوات مرنة بحجم الجرافين نانو/أنجستروم: نهج النمذجة المستمرة باستخدام البنية الدقيقة للمياه النانوية
- Translated title (French)
- Transport d'eau rapide amélioré par pression pulsatile à travers des canaux flexibles de taille nano/angström de graphène : une approche de modélisation de continuum utilisant la microstructure de l'eau nanoconfinée
- Translated title (Spanish)
- La presión pulsátil mejoró el transporte rápido de agua a través de canales flexibles de tamaño nano/Angstrom de grafeno: un enfoque de modelado continuo que utiliza la microestructura del agua nanoconfinada
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4387298287
- DOI
- 10.1088/1367-2630/acff7e
References
- https://openalex.org/W1806261105
- https://openalex.org/W1969530877
- https://openalex.org/W1975311189
- https://openalex.org/W1984961901
- https://openalex.org/W2016005311
- https://openalex.org/W2031335186
- https://openalex.org/W2033306076
- https://openalex.org/W2041703941
- https://openalex.org/W2064431708
- https://openalex.org/W2070337912
- https://openalex.org/W2076666127
- https://openalex.org/W2076870936
- https://openalex.org/W2084078293
- https://openalex.org/W2126163759
- https://openalex.org/W2128752264
- https://openalex.org/W2135623813
- https://openalex.org/W2141036044
- https://openalex.org/W2149387252
- https://openalex.org/W2166160791
- https://openalex.org/W2264894863
- https://openalex.org/W2282968739
- https://openalex.org/W2285182347
- https://openalex.org/W2419357635
- https://openalex.org/W2464525267
- https://openalex.org/W2552222312
- https://openalex.org/W2736607047
- https://openalex.org/W2744048484
- https://openalex.org/W2766554129
- https://openalex.org/W2804793953
- https://openalex.org/W2807465314
- https://openalex.org/W2888131723
- https://openalex.org/W2889882706
- https://openalex.org/W2919019993
- https://openalex.org/W2920998925
- https://openalex.org/W2953326912
- https://openalex.org/W2982163934
- https://openalex.org/W3035288958
- https://openalex.org/W3103198008
- https://openalex.org/W3105019964
- https://openalex.org/W3117245952
- https://openalex.org/W3123031587
- https://openalex.org/W3138484817
- https://openalex.org/W3170809878
- https://openalex.org/W3194719146
- https://openalex.org/W4220688754
- https://openalex.org/W4281685434
- https://openalex.org/W4293777865
- https://openalex.org/W4294000449
- https://openalex.org/W4294176514
- https://openalex.org/W4306775926
- https://openalex.org/W4323348772
- https://openalex.org/W4381480423
- https://openalex.org/W56623326
- https://openalex.org/W814828170